Вращательное движение в живых системах
Вращающаяся локомоция в живых системах
Некоторые организмы способны к вращательной локомоции. Однако настоящие колеса и пропеллеры, несмотря на их полезность в транспортных средствах человека, по—видимому, не играют существенной роли в движении живых существ (за исключением некоторых жгутиков, которые работают как штопоры). Биологи предложили несколько объяснений очевидного отсутствия биологических колес, и колесные существа часто появлялись в спекулятивной фантастике.
Учитывая повсеместное распространение колеса в человеческих технологиях и существование биологических аналогов многих других технологий (таких как крылья и линзы), отсутствие колес в мире природы, по—видимому, требует объяснения - и это явление в целом объясняется двумя основными факторами. Во-первых, существует несколько препятствий для развития и эволюции, препятствующих появлению колеса в результате естественного отбора, что отвечает на вопрос: "Почему жизнь не может развить колеса?" Во-вторых, колеса часто находятся в невыгодном положении по сравнению с другими средствами передвижения (такими как ходьба, бег илискольжение) в естественных условиях, отвечая на вопрос "Если колеса могли эволюционировать, почему они, тем не менее, могут быть редкими?" Этот недостаток, связанный с окружающей средой, также объясняет, почему по крайней мере одна историческая цивилизация отказалась от колеса как вида транспорта.
Известные случаи вращения в биологии[править]
Существует два различных способа передвижения с использованием вращения: во-первых, простое вращение; и, во-вторых, использование колес или пропеллеров, которые вращаются на оси или валу относительно неподвижного тела. В то время как многие существа используют первый способ, последний ограничен микроскопическими одноклеточными организмами.
Вращающаяся[править]
См. также: Категория:Подвижные животные
Некоторые организмы используют качение как средство передвижения. Эти примеры не представляют собой использование колеса, поскольку организм вращается как единое целое, а не использует отдельные части, которые вращаются независимо.
Несколько видов удлиненных организмов формируют свои тела в петлю для перекатывания, в том числе некоторые гусеницы (которые делают это, чтобы избежать опасности), личинки тигрового жука, многоножки, креветки-богомолы, броненосцы и саламандры Маунт-Лайелла. Другие виды принимаютболее сферические позы, в первую очередь для защиты своего тела от хищников; эта поза была замечена у ящеров, колесных пауков, ежей, броненосцев, ящериц с поясом броненосца, изопод и ископаемых трилобитов. Было замечено, что ящеры и колесные пауки намеренно откатываются от хищников. Эти виды могут вращаться пассивно (под действием силы тяжести или ветра) или активно, обычно изменяя свою форму для создания движущей силы.
Перекати-поле, которое является надземной частью некоторых растений, отделяется от корневой структуры и катится по ветру, распространяя свои семена. Эти растения встречаются особенно на открытых равнинах.Наиболее известные из них включают козелок Кали (также известный как козелок солянки), или колючий русский чертополох, который прибыл в Северную Америку в конце 19 века и приобрел репутацию вредного сорняка. Известно, что грибы рода Bovista используют ту же стратегию для рассеивания своих спор.
Коловратки - это тип микроскопических, но многоклеточных животных, обычно обитающих в пресноводных средах. Хотя латинское название rotifer означает "колесоносец", у этих организмов нет никаких вращающихся структур, а скорее кольцо ритмично бьющихся ресничек, используемых для питания и движения.
Кератиноциты, тип клеток кожи, мигрируют вращательным движением в процессе заживления ран. Эти клетки служат для формирования барьера против патогенов и потери влаги через поврежденные ткани.
Навозные жуки образуют сферические шары из экскрементов животных, которые они катают своими телами, обычно пятясь назад и толкая мяч задними ногами. Филогенетический анализ показывает, что это вращательное поведение развивалось независимо несколько раз. Поведение этих жуков было отмечено в древнеегипетской культуре, что придавало их деятельности сакральное значение. Хотя катится навозный шар, а не сам жук, жуки сталкиваются со многими из тех же механических трудностей, с которыми сталкиваются катящиеся организмы.
Свободное вращение[править]
Макроскопическая[править]
Среди животных существует единственный известный пример, по-видимому, свободно вращающейся структуры, хотя она используется для пищеварения, а не для движения: кристаллический стиль некоторых двустворчатых моллюсков и брюхоногих моллюсков. Стиль состоит из прозрачного гликопротеинового стержня, который непрерывно формируется в выстланном ресничками мешочке и простираетсяв желудок. Реснички вращают стержень, так что он оборачивается нитями слизи. По мере того, как стержень медленно растворяется в желудке, он высвобождает пищеварительные ферменты. Оценки скорости вращения стиляв естественных условиях значительно различаются, и неясно, вращается ли стиль непрерывно или периодически.
Микроскопические[править]
Известны два примера вращающихся структур молекулярного масштаба, используемых живыми клетками. АТФ-синтаза - это фермент, используемый в процессе накопления и передачи энергии. Она имеет некоторое сходство со жгутиковыми двигателями, обсуждаемыми ниже.Считается, что АТФ-синтаза возникла в результате модульной эволюции, в которой две субъединицы со своими собственными функциями стали ассоциированными и приобрели новую функциональность.
[[Файл::Physical model of a bacterial flagellum.jpg|200px|thumb|left|Модель основания бактериального жгутика, истинный биологический пример свободно вращающейся структуры]]
Единственным известным примером биологического "колеса" — системы, способной обеспечивать постоянный вращающий момент вокруг неподвижного тела, — является жгутик, штопорообразный хвост, используемый одноклеточными прокариотами для движения. Бактериальный жгутик является наиболее известным примером. Около половины всех известных бактерий имеют по крайней мере один жгутик, что указывает на то, что вращение на самом деле может быть наиболее распространенной формой передвижения в живых системах, хотя его использование ограничено микроскопической средой.
У основания бактериального жгутика, где он входит в клеточную мембрану, моторный белок действует как вращательный двигатель. Двигатель приводится в действие движущей силой протонов, то есть потоком протонов (ионов водорода ) через мембрану бактериальной клетки из-за градиента концентрации, создаваемого метаболизмом клетки. (У видов рода Vibrio есть два вида жгутиков, латеральные и полярные, а некоторые приводятся в действие ионно-натриевым насосом, а не протонным насосом.) Жгутики довольно эффективны, позволяя бактериям перемещаться со скоростью до 60 длин клеток в секунду. Вращательный двигатель у основания жгутика похож по структуре на АТФ-синтазу. У бактерий Spirillum спиралевидные тела со жгутиками на обоих концах, и они вращаются вокруг центральной оси своего тела при движении в воде.
Археи, группа прокариот, отдельная от бактерий, также имеют жгутики, известные как археллы, приводимые в движение вращательными моторными белками, которые структурно и эволюционно отличаются от бактериальных жгутиков: в то время как бактериальные жгутики произошли от бактериальной системы секреции III типа, археллы, по–видимому, произошли от пили IV типа.
Некоторые эукариотические клетки, такие как протист эвглена и сперматозоиды животных, обладают конвергентной, эволюционно отличной жгутикоподобной структурой, известной как ресничка или ундулиподий. В отличие от бактериальных жгутиков, эти структуры не вращаются у основания; скорее, они изгибаются таким образом, что кончик изгибается по кругу.
Тем не менее, некоторые протисты, возможно, все еще наблюдались, используя свободное вращение. Navicula, вид диатомовых водорослей, может обладать нетрадиционным механизмом вращения, не связанным со жгутиком.
Биологические барьеры для колесных организмов[править]
Отсутствие колес в природе часто объясняется ограничениями, налагаемыми биологией: естественный отбор ограничивает эволюционные пути, доступные видам, а процессы, с помощью которых растут и развиваются многоклеточные организмы, могут не позволить построить функционирующее колесо.
Эволюционные ограничения[править]
Процессы эволюции могут помочь объяснить, почему колесная локомоция не развилась в многоклеточных организмах: проще говоря, сложная структура или система не будут развиваться, если ее неполная форма не приносит пользы организму.
Адаптация происходит постепенно в результате естественного отбора, поэтому серьезные фенотипические изменения обычно не распространяются внутри популяций, если они снижают приспособленность особей. Хотя нейтральные изменения (те, которые не приносят пользы) могут распространяться через генетический дрейф, и вредные изменения могут распространяться при некоторых обстоятельствах, большие изменения, требующие нескольких этапов, произойдут только в том случае, если промежуточные этапы повысят пригодность. Ричард Докинз описывает этот вопрос: "Колесо может быть одним из тех случаев, когда инженерное решение можно увидеть на виду, но оно недостижимо в эволюции, потому что оно находится [на] другой стороне глубокой долины, непреодолимо пересекая массив горы Невероятное". В таких случаяхв фитнес-ландшафте колеса могут располагаться на очень благоприятной "вершине", но долина вокруг этой вершины может быть слишком глубокой или широкой, чтобы генофонд мог мигрировать через нее путем генетического дрейфа или естественного отбора. Стивен Джей Гулд отмечает, что биологическая адаптация ограничивается работой с доступными компонентами, комментируя, что "колеса работают хорошо, но животные не могут их строить из-за структурных ограничений, унаследованных как эволюционное наследие".
Таким образом, естественный отбор объясняет, почему колеса являются маловероятным решением проблемы передвижения: частично эволюционировавшее колесо, лишенное одной или нескольких ключевых особенностей, вероятно, не дало бы организму преимущества. Исключением из этого является жгутик, единственный известный пример свободно вращающейся движительной системы в биологии; в эволюции жгутиков отдельные компоненты были взяты из более старых структур, где они выполняли задачи, не связанные с движением. Например, базальное тело, которое сейчас является вращательным двигателем, могло развиться из структуры, используемой бактерией для введения токсинов в другие клетки. Это привлечение ранее развитых структур для выполнения новых функций называется экзап-тацией.
Молекулярный биолог Робин Холлидей написал, что отсутствие биологических колес противоречит креационистским или разумным представлениям о разнообразии жизни, поскольку разумный творец, свободный от ограничений, налагаемых эволюцией, должен был бы устанавливать колеса везде, где они были бы полезны.
Ограничения в развитии и анатомические ограничения[править]
Используя человеческие производственные процессы, колесные системы различной сложности оказались довольно простыми в конструировании, а проблемы передачи энергии и трения оказались решаемыми. Однако неясно, подходят ли или даже способны ли совершенно разные процессы эмбрионального развития для создания функционирующего колеса по причинам, описанным ниже.
Самым большим анатомическим препятствием для многоклеточных организмов на колесах является интерфейс между статическими и вращающимися компонентами колеса. В пассивном или управляемом случае колесо (и, возможно, ось) должно иметь возможность свободно вращаться относительно остальной части машины или организма. В отличие от суставов животных, которые имеют ограниченный диапазон движения, колесо должно иметь возможность вращаться на произвольный угол без необходимости "раскручивания". Таким образом, колесо не может быть постоянно прикреплено к оси или валу, вокруг которого оно вращается (или, если ось и колесо закреплены вместе, ось не может быть прикреплена к остальной части машины или организма). Это требование создает несколько функциональных проблем,хотя это может быть частично преодолимо.
Передача мощности на ведущие колеса[править]
.jpg)
В случае ведомого колеса для создания движущей силы должен быть приложен крутящий момент. В технологии человека этот крутящий момент обычно обеспечивается двигателем, которого существует много типов, включая электрический, поршневой, турбинный, пневматический и гидравлический. (Крутящий момент также может быть обеспечен человеческой силой, как в случае с велосипедом.) У животных движение обычно достигается за счет использования скелетных мышц, которые получают энергию за счет метаболизма питательных веществ из пищи.Потому что эти мышцы прикрепленные к обоим компонентам, которые должны двигаться относительно друг друга, они не способны непосредственно управлять колесом и могут делать это только через рычаг. Кроме того, крупные животные не могут производить высокие ускорения, так как инерция быстро увеличивается с увеличением размера тела.
Трение[править]
Уменьшение трения жизненно важно для минимизации износа механических компонентов и предотвращения перегрева. По мере увеличения относительной скорости компонентов и увеличения силы контакта между ними возрастает важность уменьшения трения.Могут использоваться различные типы подшипников и / или смазочных материалов.для уменьшения трения на границе раздела между двумя компонентами.В биологических суставах, таких как человеческое колено, трение уменьшается с помощью хряща с очень низким коэффициентом трения, а также смазывающей синовиальной жидкости, которая имеет очень низкую вязкость. Герхард Шольц из Берлинского университета имени Гумбольдта утверждает, что подобная выделяемая смазка или мертвый клеточный материал могут позволить биологическому колесу свободно вращаться.
Перенос питательных веществ и отходов[править]
Другой потенциальной проблемой, возникающей на стыке колеса и оси (или оси и тела), является ограниченная способность организма переносить материалы через этот интерфейс. Если ткани, из которых состоит колесо, живые, их необходимо снабжать кислородом и питательными веществами, а также удалять отходы для поддержания обмена веществ. Типичная кровеносная система животного, состоящая из кровеносных сосудов, не смогла бы обеспечить транспортировку через границу раздела. В отсутствие кровеносных сосудов кислород, питательные вещества и отходы должны были быдиффузия через поверхность раздела, процесс, который был бы сильно ограничен доступным парциальным давлением и площадью поверхности, в соответствии с законом диффузии Фика. Для крупных многоклеточных животных диффузия была бы недостаточной.Альтернативно, колесо может состоять из выделяемого неживого материала, такого как кератин (из которого состоят волосы и ногти).
Недостатки колес[править]
В определенных условиях и ситуациях колеса имеют механические и другие недостатки, которые могут привести к снижению пригодности по сравнению с передвижением на конечностях.Эти недостатки предполагают, что, даже за исключением биологических ограничений, рассмотренных выше, отсутствие колес в многоклеточной жизни может быть не "упущенной возможностью" биологии, как кажется на первый взгляд. Фактически, учитывая механические недостатки и ограниченную полезность колес по сравнению с конечностями, центральный вопрос можно поменять местами: не "Почему природа не производит колеса?", а скорее, "Почему человеческие транспортные средства не используют больше конечностей?"В определенных условиях и ситуациях колеса имеют механические и другие недостатки, которые могут привести к снижению пригодности по сравнению с передвижением на <a>конечностях</a>.<a></a>Эти недостатки предполагают, что, даже за исключением биологических ограничений, рассмотренных выше, отсутствие колес в многоклеточной жизни может быть не "упущенной возможностью" биологии, как кажется на первый взгляд.<a></a> Фактически, учитывая механические недостатки и ограниченную полезность колес по сравнению с конечностями, центральный вопрос можно поменять местами: не "Почему природа не производит колеса?инженерных транспортных средств, вероятно, можно отнести к сложности конструкции, необходимой для создания и управления конечностями, а не к постоянному функциональному преимуществу колес над конечностями.
Эффективность[править]
Сопротивление качению[править]
Хотя жесткие колеса более энергоэффективны, чем другие средства передвижения, при передвижении по твердой, ровной местности (например, по дорогам с твердым покрытием), колеса не особенно эффективны на мягкой местности, такой как почва, поскольку они подвержены сопротивлению качению. При сопротивлении качению транспортное средство теряет энергию из-за деформации своих колес и поверхности, по которой они катятся. Колеса меньшего размера особенно подвержены этому эффекту. Более мягкие поверхности деформируются больше и восстанавливаются меньше, чем твердые поверхности, что приводит к большему сопротивлению. Сопротивление качению на средней и твердой почве может быть в пять-восемь раз больше, чем на бетоне, а на песке оно может быть в десять-пятнадцать раз больше. В то время как колеса должны деформировать поверхность на всем своем пути, конечности вызывают лишь небольшую локализованную деформацию вокруг области контакта с ногами.
По этой причине сопротивление качению привело по крайней мере одну историческую цивилизацию к отказу от колес. Во времена Римской империи колесницы были распространены на Ближнем Востоке и в Северной Африке. Тем не менее, когда Империя рухнула и ее дороги пришли в негодность, местное население утратило популярность колес, которые превратились в верблюдов для перевозки грузов в песчаном климате пустыни. В своей книгеСтивен Джей Гулд "Куриные зубы и лошадиные пальцы" объясняет этот исторический курьез, утверждая, что в отсутствие ухоженных дорог верблюдам требовалось меньше рабочей силы и воды, чем колесной повозке, запряженной волами.
Эффективность водной локомоции[править]
При движении через жидкость вращающиеся системы имеют преимущество в эффективности только при чрезвычайно низких числах Рейнольдса (т. Е. При потоках с преобладанием вязкости), таких как те, которые испытывают бактериальные жгутики, тогда как колебательные системы имеют преимущество при более высоких (с преобладанием инерции) Числа Рейнольдса. В то время как судовые пропеллеры обычно имеют КПД около 60%, а пропеллеры самолетов - около 80% (достигая 88% в Gossamer Condor, приводимом в движение человеком), гораздо более высокая эффективность, в диапазоне 96% -98%, может быть достигнута с помощью колеблющейся гибкой фольги, такой какрыбий хвост или птичье крыло.
Тяговое движение[править]
Колеса склонны к скольжению — неспособности генерировать сцепление — на рыхлой или скользкой местности. Скольжение тратит энергию и потенциально может привести к потере контроля или застреванию, как в случае с автомобилем на грязи или снегу. Это ограничение колес можно увидеть в области человеческих технологий: в качестве примера биологически вдохновленной инженерии легковые транспортные средства находят применение в лесозаготовительной промышленности, где они обеспечивают доступ к местности, слишком сложной для передвижения колесных транспортных средств. Отслеживается транспортные средства меньше страдают от скольжения, чем колесные транспортные средства, из-за их большей площади контакта с землей, но они, как правило, имеют больший радиус поворота, чем колесные транспортные средства, и они менее эффективны и более сложны механически.
Навигация по препятствиям[править]
Страница / местоположение: 400-401
Работа инженера по транспортным средствам <a>Мечислава Г. Беккер</a> подразумевает, что распределение неровностей в естественных ландшафтах является <a>логарифмически нормальным</a>; то есть небольшие препятствия встречаются гораздо чаще, чем большие. Таким образом, навигация по препятствиям является проблемой для передвижения по естественной местности <a>во всех масштабах</a>.<a>[2]</a>: 400-401 Основным средством передвижения по препятствиям на суше является объезд препятствий и преодоление их; у каждого есть свои сопутствующие проблемы.<a></a>
Движение вокруг[править]
- Анатом Майкл Лабарбера из Чикагского университета иллюстрирует плохую маневренность колес, сравнивая радиусы поворота людей, передвигающихся пешком, и людей, пользующихся инвалидными колясками. Как указывает Джаред Даймонд, большинство биологических примеров перекатывания встречаются на широко открытой, плотно утрамбованной местности, включая использование перекатывания навозными жуками и перекати-полем.
Движение по[править]
Колеса плохо справляются с вертикальными препятствиями, особенно препятствиями того же масштаба, что и само колесо, и могут быть неспособны преодолевать вертикальные препятствия высотой более 40% высоты колеса.[59]: 148 Из-за этого ограничения колеса, предназначенные для пересеченной местности, требуют большего диаметра.
Кроме того, без сочленения колесное транспортное средство может застрять на препятствии с препятствием между колесами, препятствуя их контакту с землей.Конечности, напротив, полезны для лазания и приспособлены для работы на неровной местности.
С неартикулированными колесами преодоление препятствий приведет к наклону кузова транспортного средства. Если центр масс транспортного средства выходит за пределы колесной базы или колеи, транспортное средство становится статически неустойчивым и имеет тенденцию к опрокидыванию.[61] На скорости транспортное средство может стать динамически неустойчивым, то есть оно может быть опрокинуто препятствием, меньшим, чем его предел статической устойчивости, или чрезмерным ускорением или резким поворотом. Системы подвески часто смягчают склонность колесных транспортных средств к опрокидыванию, но, в отличие от полностью сочлененных конечностей, они не обеспечивают никакой способности восстанавливаться из перевернутого положения.
Универсальность[править]
Конечности, используемые животными для передвижения по земле, часто также используются для других целей, таких как хватание, манипулирование, лазание, размахивание ветками, плавание, рытье, прыжки, бросание, удары и уход. Без артикуляции колеса не могут выполнять эти функции.
В художественной литературе и легендах[править]
Основная статья: Движущиеся и колесные существа в художественной литературе и легендах Легенды и умозрительные вымыслы раскрывают давнее увлечение человека подвижными и колесными существами. Такие существа появляются в мифологиях Европы, Японии, доколумбовой Мексики, Соединенных Штатов и Австралии.
Движущиеся существа[править]
Говорят, что змея-обруч, легендарное существо в Соединенных Штатах и Австралии, захватывает свой хвост ртом и катится, как колесо, к своей добыче. Японская культура включает похожее мифическое существо, Цучиноко. Буер, демон, упомянутый в гримуаре 16-го века Pseudomonarchia Daemonum, был описан и проиллюстрирован в словаре Колина де Планси "Инфернал" как имеющий радиально расположенные руки, на которых он катался.
Голландский художник-график М. К. Эшер изобразил на литографии 1951 года вращающееся существо собственного изобретения. Подвижные существа также фигурируют в произведениях, написанных автором комиксов Карлом Барксом, писателями-фантастами Фредриком Брауном[68] , Джорджем Р. Р. Мартином и Джоан Слончевски, а также в серии видеоигр Sonic the Hedgehog.
Колесные существа[править]
Игрушечные животные с колесами, относящиеся к доколумбовой эпохе, были обнаружены археологами в Веракрусе, Мексика, в 1940-х годах. Коренные народы этого региона не использовали колеса для передвижения до прибытия европейцев.
Несколько писателей двадцатого века исследовали возможности колесных существ. В детском романе Л. Фрэнка Баума "Озма из страны Оз" 1907 года изображены гуманоидные существа с колесами вместо рук и ног, называемые Колесниками. Их колеса состоят из кератина, который был предложен биологами как средство предотвращения проблем с переносом питательных веществ и отходов с помощью живых колес. Несмотря на быстрое передвижение по твердой открытой местности, Колесники не могут пересечь песок и попадают в тупик из-за препятствий на своем пути, которые не мешают существам с конечностями.
Во второй половине двадцатого века колесные или колесные существа фигурировали в произведениях авторов фэнтези и научной фантастики, в том числе Клиффорда Д. Саймака , Пирса Энтони , Дэвида Брина , К. А. Эпплгейта , Филипа Пулмана и партнеров по сценариюИэн Стюарт и Джек Коэн.Некоторые из этих работ касаются ограничений развития и биомеханики колесных существ: существа Брина страдают от артрита осей, а мулефа Пулмана не рождаются с колесами, а катаются на семенных коробочках, с которыми они эволюционировали.
Смотрите также[править]
Биомимикрия, которая включает в себя биологически вдохновленную инженерию
- Использование снарядов живыми системами, еще одна адаптация, обычно связанная с человеческой технологией
- Передвижение роботов, при котором проблемы с локомотивом, с которыми сталкиваются живые системы, рассматриваются в технологическом контексте
- Иссы, один из многих родов плантокрылых, которые используют зубчатые механизмы для синхронизации своих ног во время прыжков